英國Celestion公司雷射─ 電腦技術之研究用眼睛看聲音! @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　在近50年內,動圈式喇叭是所有音響器材中改進最少,同時我們對它的瞭解也最少的部分。

　　基本上,喇叭是藉著機械性的振動再生人聲或樂器聲音的振動體。每一家廠商的目標都是希望能製造出一支能正確模仿真實聲音的喇叭但是如果振動不能看見,也不能測量的話,如何能夠確定這種振動的正確性?

　　直到最近,測量的技術能藉著再生後的聲音間接的分析喇叭工作的情形,但是仍無法了解發出聲波的過程。其中最為大家所熟知的間接測試法莫過於振幅響應曲線,也就是利用麥克風在無響室內測量音頻範圍內喇叭輸出的聲壓。理想上一個喇叭應該對所有的頻率產生相同的聲壓而得到一條平坦的響應曲線,並且至少在理論上能正確的再生所有的音樂訊號。

　　可是如果喇叭不能通過這種測試,而產生具有峯值及起伏的曲線,設計者仍無法了解問題出在哪裡。進一步說,即使喇叭能產生一條平坦的曲線也無法保證發出的聲音一定很好。無論你是閱讀音響雜誌或是試聽喇叭,相信你一定經驗過喇叭的表現遠超過響應曲線所代表的,同時也常有句有相同響應曲線的喇叭却發出截然不同的聲音。

喇叭振膜難觀察

　　多少年來科學家一直在尋找一種能直接測量喇叭表現的方法,早期的實驗包括了在喇叭的振膜灑上石松粉,然後利用閃光測頻儀(stroboscope)觀察在振膜上的振動圖形。這種方法能建立一套數學模式以相當的精確度預測振動圖形,藉著電腦的輔助及這些數學模式的組成,我們能做進一步的測試。但是這個方法亦非理想,因為經常會有一些異常的結果來考驗電腦的數學能力。

　　到了1970年代,立體攝影的發展使得測量喇叭的技術有了更進一步的更新。立體攝影是利用從移動物體或三度空間的物體反射回來的相位差與參考光束比較或干涉的方法來做三度空間的測量。這種方法會產生差拍頻率,然後這個差拍頻率投影至底片或其他二度空間的紀錄媒體,藉以產生立體影像。

　　立體影像讓我們首次窺視喇叭的振動,但是立體影像却有一些令人洩氣的限制。首先它只能用在小振膜小振幅上,其次立體影像也只能觀察到如圖1的輪廓圖(countour-map),你可以藉著線條的密度或厚度觀察出振膜是否有問題,然而問題到底是發生在振膜的什麼地方及問題的程度,都只能靠工程師的想像了。

　　更甚者,立體攝影很模糊含混而且它也只是二度空間的結果,往往我們無法確定振膜振動的方法,利用雷射及電腦,Celestion的一群研究員發展出一套系統,使得喇叭的運動生動而清晰的呈現出來。

　　雷射── 電腦系統的操作過程分為三個步驟,首先在電腦的控制下一個氦氖雷射掃描正在振動的喇叭的振膜,收集振膜上略多於32,000點的資料。電腦指示雷射在音頻範圍內掃描的方式,直線橫過,或是弧形掃過。第二、一個相位感應探測器將資料收集並延遲再送入電腦,電腦將資料處理後再送入X/Y繪圖器。第三、繪圖器畫出在雷射掃描的瞬間,振膜振動的立體圖。連續的圖形暫存於電腦中,需要時可以直接顯示在示波器上,而提供振膜振動的連續動作。

　　乍看之下這一幅幅的圖片很像是宇宙中遙遠的星球地形圖,其實這是喇叭的振膜的位移或速度在某一瞬間的放大圖。這和把你縮小到1/50毫米高然後位於振膜喇叭上方所看到的結果一樣。

　　這種方式所表現出來的圖形,使喇叭振動的圖形清晰的呈現在我們眼前,即使是一個普通人也能很快的找到喇叭不良的所在,好的聲音是當振膜以類似一個大活塞上下振動時所發出的。隨著頻率的變化振膜的周圍,不是保持平坦沒有任何特殊的變化,就是形成環狀像護城河一般的標誌。只要測量的結果不是類似上述的理想「地形圖」,那麼聲音就有不同程度的失真。

　　同時檢查標準喇叭及市場上實際出售的喇叭,工程師們能確定長久以來喇叭振動的各種理論,更特別的是Celestion的工程師發現存在於動圈喇叭上的許多問題,無論是Celestion或是其他廠牌都是因為近20年來大家公認的設計方法上的錯誤引起的。

英國Celestion有新獻

　　Celestion研究的範疇之一是製造喇叭錐體或高音半球的材料,新的振膜材料如Bextrene、Polypropylene(聚丙烯)及Mylar代表了不同階段的喇叭,現在我們可以評斷它們的性能。

　　請參看圖2的例子,圖2A是一個19毫米塑膠半球高音喇叭在8KHz時有嚴重的不對稱的邊緣問題,所以在音頻範圍內已經產生了失真。圖2B是一個超硬半球是高音,振膜的振動非常好,但是在邊緣也有問題,它的平滑活塞式的振膜證明了新的超硬材料能不失真的表現高頻響應。但是與大多數市售的單體一樣,邊緣及懸掛方式引起許多機械性的問題,而這些問題在振幅響應曲線上都看不出來。圖2C是新的銅合金高音喇叭,無論在振膜及邊緣上都沒有問題。

　　驅動單體的表面是否有產生失真的缺陷存在也可以利用雷射── 電腦系統來詳細檢查,在這方面雷射── 電腦系統遠優於其他的測量方法。許多年來標準的振幅響應曲線告訴我們某一個喇叭在某一個頻率範圍內,在某一瞬間的效果。或對一個喇叭在不同的角度測量其平均振幅,我們可以得到在某一個頻率的方向性圖形。在以上的方法中都假設在某一瞬間的結果可以代表任何時候的結果,其實不然!利用雷射電腦系統我們可以觀察一段時間,喇叭在能量輸出的過程每一個部分的動態關係。

　　例如一個很重要的問題是如何利用邊緣部份來限制低音喇叭紙盆的運動,使得尚未傳遞至空氣而延著錐面傳送的能量在到達喇叭的框邊後完全的被吸收掉,而不致反射回喇叭造成失真。當驅動頻率逐漸升高時,錐面的一小部分將能量轉換成聲波傳遞出去,其餘的部分則在能量由中心向四週傳送的過程中產生連波式的振動。理想上這個能量會很快的減弱而在到框邊後完全的消失,但是如果周圍的部分不能對稱的消除這個能量的話,這個能量又反射回中心再以延遲的狀態轉換成聲波而對隨之而來的訊號予以渲染。這個現象就是駐波,並且在能量完全消失前會重複整個反射的過程。

　　由於祝波發生於中頻(人聲及樂器主要的能量都集中於此),而人耳又對聲音的相差(sonic aberration)特別敏感,所以駐波對喇叭的渲染有決定性的影響。

　　圖3是由雷射所看到低音喇叭在780Hz時振膜的周圍有不規則的鐘形擾動及嚴重的邊緣固定的問題。如圖所示能量集中於周圍部份的右手邊,利用監視器顯現的方式我們可以看到錐體的兩個部分產生反相振動而能量則在這兩個部分交互傳遞直至消失為止,明顯的這個振膜的邊緣部份不能提供錐體適當的阻尼。這種結果在響應曲線上看來,依測量時間的不同可能只是一個小峯值或是凹陷,但無法動態的解釋這個問題。如果使用一般的測試方法來解決這個問題則是徒勞無功。

　　經過相當的觀察後,我們了解到引起喇叭動作問題的基本因素是── 喇叭的複雜性。太多的部分、太多的接點、太多的邊界;每一部分的振動與其他部分多少有些差別;每一部分又對再生的聲音或多或少產生影響。

防塵蓋也有影響

　　防塵蓋是最糟的一部分,可是每一個低音喇叭上都有。它們經由外半徑固定在錐面上,在振動中吸收一部分線圈傳遞來的能量,然後與錐面完全獨立的把這個能量轉換成聲音。這是相當嚴重的問題,尤其如果把喇叭設計好之後才裝上防塵蓋的話,影響就更大了。

　　雷射── 電腦系統的發展使我們發現以前我們製造喇叭的方法,其實有很多的錯誤。例如訊號線(由音圈至振膜的連線),我們都是由音圈的上方穿過振膜;圖5A是一個典型的5吋紙盆低音喇叭,它的振幅響應在1KHz左右有一個5至8分貝的突降。為了找尋原因,我們檢查了一些雷射圖。在1022Hz我們發現嚴重的搖動狀態如圖5B。以監視器觀察連續動作,整個錐面沿著邊緣在不規則的振動。在利用高解像力將速度放大20,000倍,我們發現在2.4KHz時訊號線產生阻礙的效果,使錐面的速度減慢。接點額外的質量不均勻的分配在振動的錐面上引起不規則的搖動狀態。這個問題不但限制了喇叭的輸出,更引起輸出方向上的不對稱,直到能量消失為止。建議使用這種接線方式的人通常都要在接線穿過振膜的位置增加阻尼材料,可是這樣做只是使問題更麻煩。

　　有時候這些複雜的問題會表現在振幅的響應曲線上,有時候不會。我們對一個相當好的¾吋Mylar高音喇叭的測試就是一個例子,從響應曲線看來這是一個非常理想的高音喇叭,從1100Hz至28KHz之間保持±4分貝的變化,除了在21KHz時有1½分貝的突降(參看圖6A)。但是如果用雷射來觀察振膜振動的區域,我們卻可以看到在14274Hz時有四個鐘形的振動存在(如圖6B)。如果以高解像率的圖形我們可以追溯至21031Hz時有一個8階的鐘型振動,雖然在響應圖上在21031Hz的變化遠大於在14KHz時,然而14KHz的振動却對音質有較大的影響。

　　引起這種擾動的原因是振膜與音圈架間固定用的膠產生的共振,音圈架在這個點固定而在固定週圍的皺摺對振膜產生應力,硬力延著膠著的接點傳遞。同時又因接點於傳遞應力的地方材料組成的不同再次引起音質的變化,而使得一支良好的高音喇叭有了嚴重的缺點。

　　既然我們已經能夠了解喇叭振動的過程,接下來我們所面對的問題是如何製造一支振動規則、並能忠實的發出聲音的喇叭。理想的喇叭系統還需等待一段時間,但是只要具有適當控制的喇叭完成後,理想的喇叭系統就會接著產生了。這種喇叭也不需要繁雜的分頻網路來修正,因為如果喇叭不夠理想再多的修正也不能有負負得正的效果。